автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.04, диссертация на тему:Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки

/

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Новочеркасский государственный технический университет

Технология армирования вертикальных стволов шахт безрасстрельными конструкциями армировки

Специальность 05.15.04 - "Строительство шахт

и подземных сооружений"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель :

доктор технических наук, профессор Ф.И. Ягодкин Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент И.А.Мартыненко

На правах рукописи

Прокопов Аль" гвич

Новочеркасск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 5

1. Анализ современного состояния и тенденций развития конструкций и

схем армировки 10

1.1 Общие положения 10

1.2 Анализ существующего состояния и основных тенденций развития безрасстрельных конструкций армировки с жесткими проводниками 17

1.2.1 Консольная армировка 17

1.2.2 Консольно-распорная армировка 36

1.2.3 Блочная армировка 41

1.3 Анализ современных исследований в области разработки схем и 47 конструкций армировки.

1.4 Задачи и цели исследования 49

2. Технические предложения по унификации схем и конструкций безрас-

стрельной армировки 51

Выводы 66

3. Исследование параметров безрасстрельной армировки на конечно-элементной модели 67

3.1 Построение конечно-элементной модели консольно-распорной армировки 67

3.2 Расчет параметров безрасстрельной армировки на конечно-элементной модели 71

3.2.1 Консольно-распорная армировка 71

3.2.2 Консольная армировка 72

3.3 Исследование влияния геометрических параметров армировки на жесткость конструкции 73

3.3.1 Консольно-распорная армировка 73

3.3.2 Консольная армировка 75

3.4 Выводы 77

4. Методические основы расчета безрасстрельных армировок 79

4.1 Основные положения 79

4.2 Определение жесткостных характеристик расстрельных балок 80

4.2.1 Расчет коэффициента заделки |3 80

4.2.2 Определение лобовой жесткости 81

4.2.3 Определение боковой жесткости 83

4.2.4 Определение обобщенных безразмерных параметров жесткости системы "сосуд-армировка" 87

4.3 Определение горизонтальных динамических нагрузок, действующих в системе "сосуд-армировка" 88

4.4 Расчет прогибов проводников 91

4.5 Расчет напряжений в проводниках 91

4.6 Реализация методики расчета параметров безрасстрельной армировки на ЭВМ 92

4.7 Выводы 98

5. Разработка технологии армирования вертикальных стволов безрас-стрельными конструкциями армировки 99

5.1 Анализ технологических особенностей армирования стволов безрасстрельными конструкциями армировки 99

5.2 Конструкция и технология применения монтажных шаблонов 103

5.3 Технология и организация работ при армировании ствола 107

5.3.1 Основные принципы армирования 107

5.3.2 Подготовительные работы 108

5.3.3 Установка контрольного яруса 109

5.3.4 Установка консолей 109

5.3.5 Монтаж кабельных конструкций 111

5.3.6 Навеска проводников 111

5.3.7 Перемещение шаблонов и лестниц 112

5.4 Внедрение результатов исследований в производство 115

5.5 Выводы 118

6. Оценка экономической эффективности разработанных схем и техноло-

гии армирования 119

Выводы 128

Заключение 129

Список использованной литературы 131

Приложения 139

Приложение 3.1 Исходные данные для построения конечно-элементной модели консольно-распорной армировки и расчета напряжений и деформаций системы с помощью компьютерного вычислительного комплекса "Зенит" 139 Приложение 3.2 Результаты расчета параметров консольно-распорной

армировки на конечно-элементной модели 146

Приложение 3.3 Результаты исследования зависимости жесткости консольно-распорной армировки от ее геометрических параметров 154 Приложение 3.4 Результаты исследования зависимости жесткости консольной армировки от ее геометрических параметров 160 Приложение 4.1 Графики для определения коэффициентов ослабления

жесткости консолей 165

Приложение 4.2 Графики для определения жесткостных и динамических

параметров системы "сосуд-армировка" 171

Приложение 4.3 Пример проверочного расчета жесткостных параметров, прогибов и напряжений элементов консольно-распорной армировки 175

Приложение 4.4 Результаты расчета консольно-распорной армировки по

компьютерной программе ARMIR2 188

Приложение 4.5 Программа ARMIR2 на языке TURBOBASIC по расчету

безрасстрельной армировки 190

Приложение 5.1 Акт внедрения результатов исследований 215

Приложение 6.1 Результаты расчета технико-экономических показателей безрасстрельных армировок по компьютерной программе ARMIR1 217

ВВЕДЕНИЕ

Развитие промышленного комплекса России требует реструктуризации и реконструкции угольной промышленности страны, что неразрывно связано со строительством новых и модернизацией действующих угольных шахт.

В современных условиях перехода экономики на рыночные отношения особое значение приобретает задача снижения затрат на строительство и поддержание горных выработок.

В общем комплексе современного горнодобывающего предприятия с подземным способом разработки наиболее ответственным сооружением является шахтный ствол с армировкой, обеспечивающей направленное движение подъемных сосудов. Армировка оказывает существенное влияние на определение диаметра ствола, его стоимости (до 15%), сроков строительства, а также на производительность, надежность и экономичность работы подъемных установок. Поэтому одним из направлений снижения затрат при строительстве и реконструкции шахтных стволов может быть оптимизация решений технологий армирования и схем армировки стволов.

В настоящее время наибольшее распространение получила жесткая армировка, которая в обозримом будущем сохранит свои позиции благодаря ряду технических преимуществ, а именно: высоким жесткостным и прочностным характеристикам элементов, возможности движения подъемных сосудов с небольшими искривлениями ствола даже при высокой интенсивности подъема, а также благодаря устоявшейся традиции в проектировании и монтаже армировок и накопленному опыту в строительстве и эксплуатации армировок такого типа.

Однако наряду с указанными преимуществами традиционные жесткие многорасстрельные конструкции армировки в ряде случаев не соответствуют современному уровню технологии строительства и эксплуатации шахт, поскольку обладают рядом существенных недостатков, к которым относятся :

- большая трудоемкость изготовления, монтажа и антикоррозионной защиты;

- высокая металлоемкость (50-200 т на 100 п.м. ствола);

- многодетальность (более 20 позиций монтажных элементов в одном ярусе);

- большое аэродинамическое сопротивление, увеличивающее энергозатраты;

- переменная податливость элементов армировки по глубине ствола.

Одним из направлений усовершенствования схем и конструкций армировки с

целью устранения указанных недостатков является создание безрасстрельных схем, отличающихся более высокими технико-экономическими показателями. Применение в этих схемах консольных или консольно-распорных расстрелов позволяет увеличить жесткость армировки, сократить расход металла и трудоемкость работ, снизить аэродинамическое сопротивление ствола, а также создает возможность для спуска крупногабаритных грузов и ведения армирования в процессе проходки ствола.

Однако, промышленное внедрение данных схем сдерживается недостаточностью отечественного опыта армирования безрасстрельными конструкциями, неразработанностью методических основ расчета и отсутствием технологических схем монтажа армировок такого типа.

Комплекс выполненных автором исследований посвящен разработке и унификации безрасстрельных схем и конструктивных решений армировки, созданию методических основ расчета и технологических схем армирования.

Цель работы - создание методических основ проектирования и эффективной технологии армирования вертикальных стволов безрасстрельными конструкциями армировки.

Под технологией армирования понимается совокупность конструкции армировки и основных процессов ее возведения.

Идея работы - повышение технико-экономической эффективности жесткой армировки достигается применением безрасстрельных конструкций в виде консоли с распором, расположенным под углом X к ней, изменяющимся от 0° (чисто консольная схема) до 90° (консольно-распорные схемы) в зависимости от расположения подъемных сосудов и эксплуатационных нагрузок на армировку.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод исследований, включающий системный анализ и обобщение современного состояния армирования вертикальных стволов; методы статистического анализа; теоретические исследования напряженно-деформированного состояния и расчет параметров элементов безрасстрельных армировок; технико-экономический анализ.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

- установлены возможность и целесообразность решения унифицированного ряда сечений вертикальных стволов безрасстрельными (консольными или кон-сольно-распорными) конструкциями армировки;

- разработаны конечно-элементные модели консольной и консольно-распорной армировок с учетом наиболее неблагоприятного сочетания эксплуатационных нагрузок, позволившие исследовать напряженно-деформированное состояние безрасстрельных армировок;

- установлены закономерности изменения жесткости консольных и консоль-но-распорных армировок в точках крепления проводников от геометрических и прочностных параметров конструкции, позволяющие определять рациональные конструктивные параметры армировки;

- с учетом полученных зависимостей разработаны методические основы расчета жесткости консолей, а также напряжений и прогибов проводников;

- установлены допустимые значения длин консолей в зависимости от интенсивности подъема, шага армировки и типа проводников:

- разработаны алгоритм и компьютерная программа расчета жесткости консолей, нагрузок на армировку, напряжений в элементах конструкции и прогибов проводников;

- разработаны алгоритм и компьютерная программа выбора схемы и расчета технико-экономических показателей как для типовых, так и для безрасстрельных армировок, позволяющая определить оптимальную схему армировки для конкретных условий;

- разработана технология армирования безрасстрельными конструкциями.

На защиту выносятся следующие научные положения :

- безрасстрельная армировка может быть конструктивно решена для унифицированного ряда сечений вертикальных стволов с жесткой армировкой в виде консоли с распором. При значении угла между осями консоли и распора А,-~»0 конструкция приобретает вид консоли;

- боковая и лобовая жесткости консоли в точке крепления проводника зависят от отношения расстояния между распором и точкой крепления проводника к

длине консоли между крепью и распором а^И, причем условия работы заделок консоли в крепь будут оптимальными при значении а^—И;

- лобовая и боковая жесткости консоли в точке крепления второго проводника (при наличии) зависят от отношения расстояния между точками крепления

второго проводника и распора к длине отрезка между крепью и распором а2И. Ослабление лобовой жесткости будет минимальным при значении а2/^=0,4...0,65, а боковой жесткости при значении а2/^=0,3...0,4;

- при значении угла X между осями консоли и распора в пределах 40...70° жесткость системы изменяется незначительно и составляет в боковом направлении 78...82% и в лобовом 83...87% от жесткости системы с углом Ая90°. Поэтому расчет консольно-распорной армировки с углом А,<90° может производиться аналогично расчету с углом Я=90° с учетом коэффициентов ослабления для боковой

жесткости Кх,б=0,8 и лобовой - К^=0,85;

- значения максимальной длины консоли зависит, в основном, от двух факторов: шага армировки и интенсивности подъема. Влияние первого фактора является преобладающим при низкой (менее 2,5-106 Дж) интенсивности подъема, второго - при превышении интенсивности подъема 2,5-106 Дж.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается статистическим анализом данных с использованием апробированных программных средств, корректностью постановки задач, использованием конечно-элементного анализа и математического моделирования, инженерно-техническими проработками и проектными решениями и результатами опытной проверки предложенных технических решений на натурных объектах.

Научное значение работы заключается в разработке и систематизации безрасстрельных схем и конструкций армировки вертикальных стволов и установлении зависимости жесткости армировки от ее геометрических параметров.

Практическое значение работы заключается в:

1) разработке методических основ проектирования безрасстрельных конструкций армировки;

2) разработке технологии армирования стволов безрасстрельными конструкциями ;

3) определении области применения предлагаемых конструкций.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований были использованы при разработке рабочей документации жесткой ар-

мировки вспомогательного и вентиляционного стволов шахты "Обуховская №1" и вспомогательного ствола №4 шахты "Гуковская" в части определения основных параметров комбинированной жесткой армировки стволов с креплением анкерами.

Апробация работы. Содержание и отдельные положения диссертации обсуждены и одобрены на ХНУ, Х1_Л/, Х1_\/1 научных конференциях Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 1995-1997 гг.), Всероссийской научно-практической конференции компании "Росуголь" "Пути повышения эффективности технологии строительства вертикальных стволов" (г. Шахты,

1996 г.), заседаниях технических советов АО "Ростовшахтострой" (г. Шахты,

1997 г.) и института "Ростовгипрошахт" (г. Ростов-на-Дону, 1997 г.), научно-производственной конференции компании "Росуголь" и АО "Ростовшахтострой" "Прохождение вертикальных стволов, околоствольных дворов, горизонтальных и наклонных выработок при строительстве новых шахт" (г. Шахты, 1997 г.), научных семинарах кафедры строительства подземных сооружений и шахт Шахтинского института Новочеркасского государственного технического университета (г. Шахты, 1996, 1997 гг.).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 138 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка, 29 таблиц, список использованной литературы из 90 наименований и 11 приложений, включающих основные результаты исследований, пример расчета по разработанной методике и копии документов, подтверждающих факт внедрения.

1.АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ И СХЕМ АРМИРОВКИ

1.1 Общие положения

Армировка вертикальных стволов служит для направления движения подъемных сосудов. Схема армировки и конструкция ее элементов, а также технология армирования во многом влияет как на надежность эксплуатации всего комплекса подъема, так и на продолжительность, стоимость и трудоемкость сооружения вертикальных стволов (рис.1.1).

Классификация применяемых в современной отечественной и зарубежной практике конструктивных решений и принципиальных схем армировки вертикальных стволов приведена на рис. 1.2

Изучение существующего состояния вопроса армирования вертикальных стволов шахт и рудников, сравнение вышеперечисленных схем армировки и оценка их достоинств и недостатков позволяют констатировать следующее.

В отечественной горнодобывающей промышленности наибольшее распространение получила жесткая металлическая армировка с расстрелами балочного типа, ее доля составляет около 75%, а с учетом жесткой смешанной армировки (металлические расстрелы и деревянные проводники) - около 80%.

Зто связано, прежде всего, с устоявшимся традиционным подходом в проектировании армировок стволов и накопленным богатым опытом в строительстве и эксплуатации жестких многорасстрельных армировок, которые по праву считаются наиболее проверенными и надежными.

В течение длительного периода, когда глубина стволов шахт составляла 300-500 м, грузоподъемность подъемных сосудов - 5-10 т, а скорость подъема 6-8 м/с, в подавляющем большинстве случаев использовались расстрелы рамной конструкции, рельсовые проводники на шахтах угольной промышленности и деревянные - на рудных шахтах. В качестве направляющих устройств подъемных сосудов использовались жесткие лапы. Анализ опыта эксплуатации стволов шахт этого периода показывает, что принятые конструкции армировки и подъемных сосудов обеспечивали нормальную работу шахтного подъема.

В дальнейшем при увеличении глубины разработки месторождений до 600-800 м и повышения скорости движения подъемных сосудов до 10-12 м/с по-

требовалось значительное усиление и совершенствование конструкций армиров-ки, связанное с увеличением горизонтальных нагрузок на расстрелы и проводники, достигавших 10-12%, а в некоторых случаях 16-18% от концевой мас�